智能高铁铁路枢纽场景5G-R信道与传播特性分析

为构建现代综合交通运输体系,支撑我国高速铁路向智能化方向发展,基于第五代移动通信技术(5G)的铁路5G专用移动通信(5G-R)系统将成为铁路智能联接的首选。2.1 GHz频段有望承载5G-R系统,支持铁路产业不断涌现的新业务。高速铁路枢纽场景是列车行车指挥和客货调度的中枢,具有业务量大、业务类型复杂等特点,对铁路通信系统提出了更高的要求。本文以厦门北站铁路枢纽为研究场景,基于电子地图建立三维场景模型,采用射线跟踪方法,仿真并分析场景的信道与传播特性,并提出了通信系统设计的相关建议。本文的研究结果将有助于为铁路枢纽场景5G-R系统设计与优化提供参考,提高铁路枢纽场景无线覆盖质量。     

面向高速铁路车站场景的多频段信道特性

为助力我国铁路数字化转型升级,需加快推进智能铁路的总体建设。以厦门北高铁车站为目标场景,结合我国铁路实际,采用射线跟踪(RT)技术对932 MHz、2.1 GHz、41 GHz和93.2 GHz 4个频段的铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)、铁路5G(5G-R)、毫米波通信系统3种制式的信道特性展开研究。依托高性能射线跟踪仿真,精准刻画了不同频段下高铁车站场景的电波传播特性,对多频段、多制式下的多维度信道特性进行比较和研究。结果表明,电波频率越高,无线信号覆盖范围越小;且经由散射体产生的多径越少,多径信号在时间域和空间域的色散程度越弱。本文研究基于高铁车站的应用场景,为铁路专用移动通信系统的设计与改善提供了相应的理论依据、数据支持。     

基于5G-R系统的高铁站台场景信道特性

为推进智能铁路总体建设,实现高速铁路智能化,高铁信息基础设施将应用第五代移动通信技术(5G)建设铁路5G专用移动通信系统,2.1 GHz有望成为铁路5G专用移动通信系统的承载频段。高铁站台作为客货乘降与调度中转的功能核心,其在2.1 GHz下的电波传播特性亟待研究。本文以厦门北站高铁站台为研究场景,利用射线跟踪(RT)技术仿真2.1 GHz频段下的电波传播,基于仿真结果分析此场景无线信道特性,包括均方根时延扩展(RMS DS)、到达/离开方位角扩展、到达/离开俯仰角扩展(ASA/ASD, ESA/ESD)、交叉极化比(XPR)和以上参数的互相关。根据以上结果,对高铁站台场景中铁路5G专用移动通信系统的设计和评估提出相关建议。     

变电站内5G终端通信信道建模与分析

以巡检机器人为代表的终端设备在变电站中应用广泛,第五代移动通信(5G)技术发展迅速,未来5G可移动终端在变电站的应用将会越来越多。通信系统的性能与无线信道息息相关,因此研究变电站中可移动终端的5G通信信道特性至关重要。文章针对变电站三维(3D)散射环境下5G可移动终端的通信信道的特性问题,基于多输入多输出技术,提出采用几何分析法建立3D信道模型,并推导出了信道的时间自相关函数、空间互相关函数。基于5G频段,仿真并分析了无线信道的自相关和互相关特性;研究了不同大小的莱斯因子对无线信道特性的影响。上述仿真结果表明了5G终端在变电站的可用性,拓宽了变电站场景下可移动终端运用5G通信技术的研究。     

智能反射面辅助的5G高铁车站覆盖增强技术研究

为助力铁路数字化转型，基于5G的铁路专用移动通信(5G for railway, 5G-R)系统成为铁路智能联接的首选.本文利用前沿技术赋能铁路新一代移动通信，开展了智能反射面(intelligent reflecting surface,IRS)辅助5G高铁车站覆盖增强的研究.采用射线跟踪技术，精准刻画了2.1 GHz频段下高铁车站场景的电波传播特性；基于准确的电波传播特性，利用反射面、发射机和接收机三者之间的角度关系，对IRS部署进行了研究，并设计了相应的IRS波束指向；在获得IRS辅助下的信道传递函数后，对部署IRS前后的路径损耗(path loss,PL)和阴影衰落进行了建模和比较.结果表明：IRS的部署为目标区域带来了最大8.1 dB、平均4.63 dB的信号增益；目标区域的PL指数由未部署时的2.68减小至2.33，阴影衰落标准差由9.45 dB减小至6.43 dB.因此，部署IRS能够显著提高室外宏站对车站内部的信号覆盖，缓解车站建筑物遮挡对5G信号传输的影响，为车站场景下5G-R系统的设计与优化提供了理论基础和数据支撑.     

人体通信信道相位特性研究

采用实验统计方法研究人体信道在1~200 MHz频段下的传播延时和相位特性。实验采用13名志愿者分别进行4个传播路径的群延时测量,并将测试频段划分为1~100 MHz和100~200 MHz两个子频段进行研究,探讨4个传播路径和两个子频段下的延时特性。统计分析表明:信号在人体通信信道的传播延时和传播路径无关;100~200 MHz频段内的传播延时均比1~100 MHz内的传播延时大。1~200 MHz频段内相位归一化曲线表明:在20~40 MHz频段信号畸变较大。根据最大似然估计算法(Maximum Likelihood Estimation,MLE)和Akaike信息量准则(Akaike Information Criterion,AIC),信号相位归一化偏差值符合Lognormal分布。     

无人机毫米波信道建模及统计特性研究

针对传统移动信道模型不适用于无人机毫米波通信场景的问题,本文基于射线追踪原理构建了一个无人机毫米波三维几何信道模型,并提出了一种针对该模型的信道参数更新算法,该算法考虑了通信距离、信号角度、路径时延和功率等传播参数的随时间演进过程。在此基础上,针对南京航空航天大学校园传播场景,研究分析了时延分布、时延扩展、角度分布和角度扩展等信道统计特性。数值仿真结果表明,本文模型能够有效复现无人机信道的时变非平稳特性,输出信道统计特性与实测结果吻合,可用于无人机毫米波通信系统的方案设计、性能优化和评估验证等领域。      

人体通信频段体内至体表信道特性分析与建模

为探究人体通信(HBC)频段体内无线通信系统的传输特性,该文对解剖学数值人体模型和多层异质几何人体模型的体内至体表信道特性进行电磁仿真分析,首次建立了人体通信频段内10～50 MHz体内至体表路径损耗模型,并通过生物液态仿体内测量验证了电磁仿真和路径损耗模型的有效性。首先,结合时域有限积分法和数值人体模型计算10～50 MHz人体心脏节点至体表各节点的平均路径损耗,分析对比解剖学数值人体模型和多层异质人体模型的路径损耗、阴影衰落和电磁场分布特性。其次,基于表面波传播机理,提出一个带有线性修正项的对数路径损耗模型,最后建立完整的10～50 MHz体内至体表植入式人体信道模型。仿真分析和实验结果表明,该文提出的带有线性修正项的路径损耗模型可以更准确地描述此频段体内至体表路径损耗特性,采用解剖学数值人体模型进行此频段信道建模与特性研究可以有效提高植入式信道模型的可靠性。     

太赫兹频段室内场景空-时域信道特性测量与建模研究

掌握太赫兹频段室内信道特性及模型,是太赫兹室内通信系统设计和技术评估的前提。为了解太赫兹频段室内空-时域的信道特性,选取典型室内办公室场景,分别完成视距(Line of Sight, LoS)和非视距(Non Line of Sight, NLoS)场景下100 GHz频段、带宽为1.2 GHz的信道测量。通过分析结果,发现两场景的均方根时延扩展值和均方根角度扩展值都服从正态分布,且NLoS场景的两种参数值都比LoS场景大。此外,由于太赫兹频段多径信号分量较少,且测量场景尺寸较小,使得实测的均方根时延扩展值的测量结果比3GPP标准值约小12 ns。通过建立对数距离模型探讨测量距离对两种参数的影响,发现均方根角度扩展值在NLoS场景中随距离的增加有上升趋势,而均方根时延扩展值在两场景中变化趋势相反。     

60 GHz与300 GHz频段航天器舱内通信信道特性

太赫兹(THz)技术有望在航天器舱体轻质化和舱内高容量传输需求方面发挥重要作用.本文构建了典型航天器舱内毫米波60 GHz与太赫兹300 GHz频段信道三维仿真模型,基于射线追踪法获取了两种典型发射机部署位置下的无线信道特性,提取并分析了路径损耗指数、阴影衰落因子、莱斯K因子、均方根时延扩展和角度扩展等关键信道参数,研究了发射机的部署位置对特定频段舱内信道的影响.结果表明：相同环境下,频率越高、路径损耗与莱斯K因子越大而时延扩展越小;相同频率下,发射机部署于舱内角落的信道特性优于部署于舱内上壁中央.本文所研究的无线信道特性将为未来复杂舱内环境下的太赫兹通信系统设计和部署提供启示.     

铁路5G-R基站太阳能供电架构及应用

针对铁路5G专用移动通信(5G-R)系统基站布置密集、单体功耗高的特点,结合铁路无线通信的需求,研究采用太阳能(PV)为5G-R系统基站的射频拉远单元(RRU)设备供电的方案。对比分析5G-R系统RRU设备日用电规律及太阳能电池日发电规律,确定了采用太阳能结合储能与外电源的供电体系,通过比较几种太阳能电池与外电源组合供电架构的经济性与可靠性,推荐采用直流侧切换的供电架构,并进一步提出了采用直流侧智能配电的太阳能供电方案。本研究在保证5G-R系统运行安全可靠的同时,通过采用太阳能供电方式降低了铁路5G-R系统对外电源的需求。     

基于多源异构数据融合与RT的高铁网络优化系统

在高速铁路建设中,采用的电力拖车、路堑、站台、桥梁、明洞等特殊、形状不规则的建筑物,会对电磁波传播机理和多通路产生一定的影响,使其呈现出明显的衰减特性。从空间上看,呈现出强烈的空间异同性和频度相关,从而导致经验模型无法准确表征铁路场景的电波传播特性,成为制约无线网络规划精确度与效率、限制铁路移动通信系统高质量发展的理论瓶颈之一。针对这一挑战性难题,本文开展了基于多源异构数据融合的铁路移动通信高精确度网络规划及优化系统研究。采用高性能射线跟踪(RT)技术针对铁路通信930 MHz频段下的高铁场景进行了网络优化仿真。仿真结果表明,90%的接收信号强度相较于优化前提高了13.9 dB,显著提升了铁路复杂场景中的无线网络质量。     

Broadband wireless local-area networks at millimeter waves around 60 GHz

During the past few years, research covering propagation, channel characterization, and wireless system performance has yielded a substantial knowledge of the 60 GHz channel. The unlicensed 60 GHz frequency band presents many attractive properties for wireless communications. This paper addresses some wideband propagation characteristics for broadband wireless LANs (BWLANs). Important system-design characteristics, from measured results obtained from two wideband 60 GHz LOS radio links, are presented. Measurements were undertaken using the swept-frequency channel-sounding method. Analysis from the complex frequency responses in a worst-case scenario has yielded a lower-coherence-bandwidth value of 5 MHz. Minimum and maximum B/sub 0.9/ coherence bandwidths, obtained with a directional-horn transmitting antenna and an omnidirectional receiving antenna, were 1.10 MHz and 105.33 MHz, respectively. It was observed that the coherence bandwidth fluctuated significantly with the location of the receiver with respect to the base station. These results can be used for the modeling and design of future BWLANs.     

Wideband Propagation Measurements and Channel Implications for Indoor Broadband Wireless Local Area Networks at the 60 GHz Band

This paper addresses some wideband propagation characteristics for Indoor Broadband Wireless LANs at the 60 GHz band. Important system design characteristics from measured results obtained from two wideband 60 GHz LOS radio links are presented. Measurements had been undertaken using the swept frequency channel sounding method. Analysis from the complex frequency responses in a worst-case scenario have yielded to a lower coherence bandwidth value of 5 MHz. Minimum and maximum B_0.9coherence bandwidths obtained with a directional horn transmit and an omnidirectional receive antenna is 1.10 MHz and 105.33 MHz respectively. It has been observed that the coherence bandwidth fluctuates significantly with the location of the receiver with respect to the base station. These results can be used for modelling and design of future Indoor BWLANs.     

470～510MHz频段无线抄表系统干扰共存

现行射频规范限制470～510MHz频段无线抄表系统不能适应电力网络新的通信速率和覆盖范围需求.如何调整相关射频规范,在保障邻频先用通信业务不受干扰的前提下,有效提升无线抄表系统的通信能力成为目前亟待解决的问题之一.针对该问题,首先分析国内450～566MHz频段频谱划分情况.随后根据国家电网3种无线抄表系统的射频参数,通过确定性计算和射线追踪仿真的方法,研究所述无线抄表系统和邻频广播电视系统、CDMA450系统、铁路列调系统、FDD LTE系统之间的干扰共存情况.最后给出相关射频规范的修改建议.     

超短波频段复杂城区场景的信道测量与建模

为了准确反映复杂城区环境下移动自组织网络（mobile ad hoc network,MANET）通信节点间的无线信道传播特性,以150 MHz频点为例对山东省青岛市典型城区场景的超短波无线信道进行了外场测量.基于测量数据开展统计分析,提取了路径损耗指数、阴影衰落标准差、多径时延拓展以及频率相关性等信道参数,并针对准视距（quasi-light-of-sight,QLOS）区和非视距（non-light-of-sight,NLOS）区建立了大尺度衰落模型和小尺度抽头延迟线模型.分析和建模结果表明:在MANET城市通信场景下,路径损耗指数随距离增加呈现出双斜率特性;当累积分布函数（cumulative distribution function,CDF）为0.9时,均方根时延在QLOS区为726 ns,在阻挡严重的NLOS区为967 ns;相关带宽在QLOS区和NLOS区分别为700 kHz和300 kHz.论文所建信道模型有利于准确衡量MANET通信设备在复杂城区的通信性能,并为相关通信系统设计提供参考.